魏岳江

摘要：在今年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）已成為業(yè)界熱詞，一些主流媒體嘗試VR報(bào)道，VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)應(yīng)用廣泛，VR技術(shù)成為未來眾多創(chuàng)新應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。本文對(duì)VR的發(fā)展歷程進(jìn)行了梳理，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 新媒體 報(bào)道應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）現(xiàn)已進(jìn)入公眾的視野，特別是今年全國“兩會(huì)”VR成為新媒體報(bào)道的高頻詞，一些主流媒體首次嘗試VR報(bào)道，甚至有專家預(yù)言VR代表下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。隨之而來的有關(guān)VR產(chǎn)業(yè)的報(bào)告也輪番出爐，VR產(chǎn)業(yè)蜂擁而起，阿里巴巴成立VR實(shí)驗(yàn)室，暴風(fēng)TV發(fā)布首款VR電視，華為公布其第一代VR眼鏡產(chǎn)品……可以預(yù)見，不久的將來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)應(yīng)用廣泛，正推動(dòng)VR技術(shù)成為未來眾多經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。那么，什么是VR？其前世今生、發(fā)展趨勢如何？

了解掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理，正確認(rèn)識(shí)它與模擬仿真的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）也稱靈境技術(shù)，是隨著微電子技術(shù)不斷進(jìn)步而逐步發(fā)展起來的一種嶄新三維空間環(huán)境再現(xiàn)技術(shù)。VR是一種以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的技術(shù)。也就是說，VR利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。截至目前，世界上還沒有關(guān)于它的普遍適用的定義，但一般可以認(rèn)為，它利用各種人機(jī)交互技術(shù)為人類在現(xiàn)實(shí)空間之外創(chuàng)造了另一個(gè)盡可能真實(shí)、互動(dòng)的身臨其境的虛幻世界，使人類可以漫游其中，體驗(yàn)最真實(shí)的虛擬空間，不受任何限制地在自己的夢想里散步。VR已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新媒體、航天、軍事、工程等各種尖端科技領(lǐng)域中，并將作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段更為廣泛的應(yīng)用于并影響我們的日常生活。由于虛擬現(xiàn)實(shí)在人機(jī)交互中使用的顯示器大多是頭盔式增強(qiáng)型隨身看顯示系統(tǒng)，所以，它是隨身看顯示系統(tǒng)最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一。VR用戶只需戴上虛擬現(xiàn)實(shí)裝備，如頭盔、眼鏡等，就可以身臨其境地感受到設(shè)備中設(shè)置好的各種場景。VR系統(tǒng)一般包括用戶控制系統(tǒng)（如人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、控制桿、鍵盤、鼠標(biāo)等控制設(shè)備）和視覺、聽覺、觸覺、嗅（味）覺等人類感覺方面的仿真反饋系統(tǒng)、處理系統(tǒng)，以及人類感知的信息顯示系統(tǒng)（顯示器、音響、三維座椅）。其中，視覺、聽覺的控制和仿真是目前VR較為主要的發(fā)展方向，而頭盔式增強(qiáng)型隨身看顯示系統(tǒng)則是用戶使用的主要產(chǎn)品形式。

VR是依賴于大量的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)如人工智能、模式識(shí)別、圖形學(xué)、底層接口等技術(shù)和新型顯示技術(shù)、場傳感器技術(shù)、力量反饋系統(tǒng)、無線有線通訊等技術(shù)綜合應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。從本質(zhì)上講，VR是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)和夢境的實(shí)現(xiàn)；從技術(shù)角度講，它是軟件、硬件領(lǐng)域的前沿技術(shù)綜合應(yīng)用和面對(duì)對(duì)象的綜合技術(shù)開發(fā)。VR將可以使人們在頭戴一個(gè)頭盔式增強(qiáng)型隨身看系統(tǒng)的情況下，身臨其境的體驗(yàn)一把夢幻似的虛擬現(xiàn)實(shí)。其實(shí)，這些虛擬現(xiàn)實(shí)場景，就是使用復(fù)雜的軟件技術(shù)，預(yù)先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造一個(gè)真正的虛擬空間，空間中的每一個(gè)點(diǎn)都具有X、Y、Z坐標(biāo)、色彩、法線、邏輯關(guān)系等眾多維度的信息，計(jì)算機(jī)再通過傳感器、操縱桿、鼠標(biāo)等用戶輸入設(shè)備確定虛擬場景中人的六個(gè)自由度位置，最后通過計(jì)算機(jī)將畫面再現(xiàn)到用戶眼前，從而創(chuàng)造出虛擬空間。這樣的一系列工作如果能夠連貫起來，并且整個(gè)系統(tǒng)一個(gè)周期的運(yùn)算時(shí)間少于人的視覺暫留時(shí)間，用戶就會(huì)在頭戴式增強(qiáng)型隨身看顯示系統(tǒng)的大型虛像顯示屏幕上擁有身臨其境地在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中漫游的感覺了。VR就是創(chuàng)造一個(gè)虛擬的環(huán)境，讓你覺得這就是現(xiàn)實(shí)，通過這個(gè)虛構(gòu)的現(xiàn)實(shí)來娛樂你、吸引你。

然而，不能把虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬仿真混淆，兩者是有一定區(qū)別的。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是模擬仿真在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息處理環(huán)境下的發(fā)展和技術(shù)拓展。我們可以舉一個(gè)煙塵干擾下能見度計(jì)算的例子來說明這個(gè)問題。在構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)應(yīng)用過程中，經(jīng)常會(huì)有由燃燒源產(chǎn)生的連續(xù)變化的煙塵干擾環(huán)境能見度的計(jì)算，從而影響環(huán)境的視覺效果、仿真實(shí)體的運(yùn)行和決策。某些仿真平臺(tái)和圖形圖像生成系統(tǒng)也研究煙塵干擾下的能見度計(jì)算，仿真平臺(tái)強(qiáng)調(diào)煙塵的準(zhǔn)確物理模型、干擾后的能見度精確計(jì)算以及對(duì)仿真實(shí)體的影響程度；圖形圖像生成系統(tǒng)著重于建立細(xì)致的幾何模型，估算光線穿過煙塵后的衰減。而虛擬環(huán)境中煙塵干擾下的能見度計(jì)算，不但要考慮煙塵的物理特性，遵循煙塵運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律，計(jì)算影響仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且要生成用戶能通過視覺感知的逼真圖形效果，使用戶在實(shí)時(shí)運(yùn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，美國是發(fā)源地

20世紀(jì)60年代，VR技術(shù)就已存在了，但可能需要搬很笨重的一臺(tái)設(shè)備來體驗(yàn)，因此，在軍工、航空等特別少的專業(yè)領(lǐng)域才會(huì)用到VR。美國虛擬現(xiàn)實(shí)研究技術(shù)的水平基本上就代表國際虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的水平。20世紀(jì)90年代，美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。美國宇航局研究的重點(diǎn)放在對(duì)空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真上，大量運(yùn)用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)。如對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的仿真，到制定一個(gè)叫“虛擬行星探索”的試驗(yàn)計(jì)劃，這一項(xiàng)目能使“虛擬探索者”利用虛擬環(huán)境來考察遙遠(yuǎn)的行星，他們的第一個(gè)目標(biāo)是火星?，F(xiàn)在已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供美國使用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(xué)是進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究最早最著名的大學(xué)。他們主要研究：分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。在顯示技術(shù)上，該所大學(xué)開發(fā)了一個(gè)幫助用戶在復(fù)雜視景中建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的并行處理系統(tǒng)，叫做像素飛機(jī)。麻省理工學(xué)院是一個(gè)一直走在最新技術(shù)前沿的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)。原先就是研究人工智能、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及動(dòng)畫的先鋒，這些技術(shù)都是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)，1985年成立了媒體實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在新概念的研究中起著領(lǐng)先作用，同時(shí)也在進(jìn)行感覺、知覺、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制能力的研究。他們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究引入了教育、設(shè)計(jì)、娛樂和制造領(lǐng)域。例如，波音公司的V22運(yùn)輸機(jī)就是先在實(shí)驗(yàn)室中造出虛擬機(jī)后再投入生產(chǎn)的。伊利諾斯州立大學(xué)研制出在車輛設(shè)計(jì)中，支持遠(yuǎn)程協(xié)作的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，不同國家、不同地區(qū)的工程師們可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)協(xié)作進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)車輛的過程中，各種部件都可以共享一個(gè)虛擬環(huán)境，并且可以查看對(duì)方任何一個(gè)位置的視頻傳遞和相應(yīng)的定位方向。在系統(tǒng)中采用了虛擬原型，從而減少了設(shè)計(jì)圖像和新產(chǎn)品進(jìn)入市場的時(shí)間，這樣產(chǎn)品在生產(chǎn)之前就可以估算和測試，并且大大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。在一個(gè)分布交互式仿真系統(tǒng)中仿真真實(shí)世界復(fù)雜流體的物理特性，包括仿真正在穿過水面行駛的船、仿真攪拌液體、仿真混合不同顏色的液體、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流動(dòng)的地形以及仿真流體的相互影響等特性。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最佳系統(tǒng)，全媒體進(jìn)入到VR/AR（MR）時(shí)代

虛擬網(wǎng)絡(luò)視頻直播、虛擬圖文網(wǎng)絡(luò)直播成為今年全國“兩會(huì)”的新亮點(diǎn)。“兩會(huì)”期間，《人民日?qǐng)?bào)》采取VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）、H5（第五代應(yīng)用超文本標(biāo)記語言）、360度相機(jī)，讓今年全國“兩會(huì)”更加清晰透明、立體直觀、全方位播報(bào)。網(wǎng)民只要打開客戶端，佩戴VR眼鏡，新媒體設(shè)備不僅記錄會(huì)議立體多維空間動(dòng)態(tài)全景，而且讓網(wǎng)民感覺自己仿佛就是現(xiàn)場觀眾，身臨其境地觀察“兩會(huì)”現(xiàn)場的精彩效果。網(wǎng)民用手點(diǎn)擊鼠標(biāo)或在手機(jī)屏幕上隨意滑動(dòng)手指，眼前就能看到會(huì)場的主席臺(tái)、發(fā)言席、任何座次位置，以及代表委員精神面貌。《人民日?qǐng)?bào)》記者還使用一款安裝多個(gè)攝像頭的360度全景相機(jī)，進(jìn)行全方位、多角度立體拍攝，既能記錄李克強(qiáng)總理作報(bào)告時(shí)的神情，也能錄制主席臺(tái)上各位代表以及整個(gè)會(huì)場代表的精神狀態(tài)。新華社對(duì)新聞發(fā)布會(huì)的直播頁面中，多名記者滾動(dòng)發(fā)布現(xiàn)場文字、圖片、錄音與視頻，并啟動(dòng)VR全程直播模式。發(fā)布會(huì)剛結(jié)束，《光明日?qǐng)?bào)》融媒體作品《政協(xié)新聞發(fā)布會(huì)VR實(shí)況》就已通過微信、微博傳播出去，許多委員還帶上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品“VR眼鏡”親身體驗(yàn)到光明網(wǎng)制作的VR全景視頻新聞。其他省、自治區(qū)、直轄市的融媒體團(tuán)隊(duì)今年對(duì)“全景會(huì)場”報(bào)道技術(shù)也進(jìn)行了升級(jí)，有的首次使用VR全景視頻技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺，讓網(wǎng)民走到代表委員座位旁邊，親臨會(huì)場當(dāng)觀眾。

近年來，計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的同步發(fā)展和相互促進(jìn)成為全世界信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的主要特征。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速崛起，使得信息應(yīng)用系統(tǒng)在深度和廣度上發(fā)生了本質(zhì)性的變化，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DVR）即是一個(gè)較為典型的實(shí)例。所謂DVR是指一個(gè)支持多人實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的軟件系統(tǒng)，每個(gè)用戶在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)與其它用戶進(jìn)行交互，并共享信息。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)。根據(jù)分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運(yùn)行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和復(fù)制式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)是只在中心服務(wù)器上運(yùn)行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會(huì)議代理或?qū)υ捁芾磉M(jìn)程。中心服務(wù)器的作用是對(duì)多個(gè)參加者的輸入/輸出操縱進(jìn)行管理，允許多個(gè)參加者信息共享。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求，并且高度依賴于中心服務(wù)器。復(fù)制式結(jié)構(gòu)是在每個(gè)參加者所在的機(jī)器上復(fù)制中心服務(wù)器，這樣每個(gè)參加者進(jìn)程都有一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)器接收來自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運(yùn)行在本地機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行所需的計(jì)算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個(gè)參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互，所以，交互式響應(yīng)效果好。但它比集中式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護(hù)共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個(gè)備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、科學(xué)計(jì)算可視化、工程技術(shù)、建筑、電子商務(wù)、交互式娛樂、藝術(shù)等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景。利用它可以創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計(jì)協(xié)作系統(tǒng)、實(shí)境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。如教育應(yīng)用：把分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力，激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對(duì)話方式。工程應(yīng)用：當(dāng)前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。

隨著VR硬件設(shè)備市場資本不斷涌入，VR頭盔等硬件載體如雨后春筍般問世，全景攝像機(jī)首當(dāng)其沖，我們將進(jìn)入到VR/AR時(shí)代。AR即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如今全世界也僅僅只有二十多家權(quán)威的公司在進(jìn)行研究，微軟的技術(shù)已經(jīng)非常熟練，目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。這種技術(shù)在1990年提出。隨著隨身電子產(chǎn)品CPU運(yùn)算能力的提升，預(yù)期增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途將會(huì)越來越廣。從本質(zhì)上來說，AR是數(shù)字媒體和真實(shí)世界之間的交互，我們需要一個(gè)充當(dāng)日?！按皯簟钡臑V鏡。AR的成像理念與VR般的成像體驗(yàn)打造出了一種以全息投影現(xiàn)實(shí)為主的混合虛擬現(xiàn)實(shí)MR技術(shù)。在2016年6月1日舉行的微軟開發(fā)者峰會(huì)上，微軟CEO薩提亞·納德拉向人們強(qiáng)調(diào)了對(duì)Hololens的正確“打開”方式——Hololens既不是VR頭盔，也不是AR眼鏡，而是屬于MR的混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備。MR是將計(jì)算機(jī)生成的3D虛擬物體全息投射到現(xiàn)實(shí)空間中，MR設(shè)備的佩戴者可以現(xiàn)實(shí)空間中與3D虛擬動(dòng)畫進(jìn)行交互式操作，并觸發(fā)相應(yīng)功能。MR設(shè)備的成像原理并不同于沉浸式的VR設(shè)備，它也是將虛擬畫面投射到真實(shí)空間中，但所投射的全息3D圖像，其成像效果突破了虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的界限，能夠提供近乎于VR般的沉浸式體驗(yàn)。然而，盡管MR技術(shù)吸納了AR設(shè)備與VR設(shè)備的部分效果，卻無法實(shí)現(xiàn)在Hololens上兼容AR和VR。因?yàn)?，VR采用的交互手段完全由人工設(shè)定，AR則更注重真實(shí)物體與虛擬效果的鏈接。要將AR與VR兼容到同一設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)VR和AR終端的硬件兼容，只需要在終端上加裝一個(gè)攝像頭，解決沉浸式畫面與真實(shí)畫面的切換顯示問題，以及隨之而來的界面交互問題。

（作者單位：中共北京市委新媒體中心）

欄目責(zé)編：邵滿春